Korelacje parametrów zagęszczenia podbudowy drogowej z kruszywa łamanego

Transkrypt

1 GORĄCZKO Aleksandra 1 ŚMIGIEL Piotr 2 TOPOLIŃSKI Szymon 3 Korelacje parametrów zagęszczenia podbudowy drogowej z kruszywa łamanego WSTĘP Intensywny rozwój inwestycji komunikacyjnych w ostatnich latach wymusza coraz szybsze tempo realizacji budowlanych robót drogowych. Jednocześnie coraz większą wagę przykłada się do zapewnienia odpowiednio wysokiego poziomu wykonawstwa. Efektem tych tendencji jest poszukiwanie rozwiązań konstrukcyjnych, technologicznych, a także metod kontrolnych, pozwalających na zwiększenie tempa prac bez uszczerbku dla jakości i trwałości konstrukcji. W budownictwie komunikacyjnym jednym z najistotniejszych etapów kontroli wykonywanych robót jest ocena zagęszczenia podłoża oraz poszczególnych warstw podbudowy drogowej. Obok tradycyjnych metod oceny zagęszczenia, polegających na oznaczeniu wskaźnika zagęszczenia I S lub stopnia zagęszczenia - I D, często stosowana jest metoda pośredniej oceny zagęszczenia na podstawie modułów odkształcenia (E 1,E 2 ), otrzymanych podczas badania płytą statyczną VSS. Alternatywą dla czasochłonnego badania tego może być także szybkie badanie dynamicznego modułu E vd lekką płytą dynamiczną. Prezentowany artykuł przedstawia wyniki badań, pozwalające na uzyskanie zależności korelacyjnych, między parametrami zagęszczenia uzyskiwanymi z badań płytą statyczną VSS i płytą dynamiczną dla łamanego kruszywa wapiennego. 1 KONTROLA ZAGĘSZCZENIA WARSTW DROGOWYCH PŁYTĄ VSS I PŁYTĄ DYNAMICZNĄ Do oceny zagęszczenia na potrzeby odbiorów technicznych powszechnie wykorzystywane są badania płytą VSS (wg [1]). W trakcie badania realizowane są dwa cykle obciążenia płyty. W pierwszym, po wstępnym obciążeniu podłoża naciskiem 0,02 MPa, zwiększa się nacisk do 0,05 MPa, a następnie stopniami co 0,05 MPa do założonej wartości końcowej. Każde obciążenie utrzymuje się do umownej stabilizacji osiadań. Następnie realizuje się całkowite odciążenie i ponowne obciążenie, doprowadzając do nacisku o stopień mniejszego, niż w pierwotnym obciążeniu. Na podstawie pomierzonych osiadań od zadanych obciążeń wyznacza się kolejno wartości: pierwotnego modułu odkształcenia E 1, wtórnego modułu odkształcenia E 2 (zwanego również modułem odkształcenia sprężystego), a następnie wskaźnika odkształcenia I 0 = E 2 /E 1. Wyznaczone moduły pozwalają ocenić odpowiedź podłoża na cykliczne obciążenia ruchem samochodowym oraz możliwość trwałych odkształceń w postaci np. kolein. Badania statyczne płytą VSS jest czasochłonne. Konieczność zatrzymania zagęszczania dynamicznego odcinka na wynoszący kilka godzin czas pomiaru może utrudnić, czasem w znacznym stopniu, realizację prac budowlanych. Ponadto konieczność zapewnienia przeciwwagi przy obciążaniu płyty powoduje, że w wielu przypadkach niewykonalne stają się badania w wykopach. Alternatywą dla badania płytą VSS jest badanie płytą obciążaną dynamicznie. Zasada działania tego urządzenia polega na wywołaniu udarowego obciążenia gruntu poprzez opuszczenie ruchomego obciążnika wzdłuż prowadnicy i pomiarze przemieszczeń w środku płyty. Na podstawie maksymalnej wartości ugięcia płyty wyznacza się moduł odkształcenia dynamicznego E vd [2]. 1 Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy, Wydział Budownictwa, Architektury i Inżynierii Środowiska; Bydgoszcz; ul. Kaliskiego 7. Tel: , agora@utp.edu.pl 2 Drogi i Mosty Henryk Boczek, ul. Pakoska 9, Inowrocław 3 Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy, Wydział Budownictwa, Architektury i Inżynierii Środowiska; Bydgoszcz; ul. Kaliskiego 7. Tel: , szymont@utp.edu.pl 4025

2 2 INTERPRETACJA PARAMETRÓW UZYSKIWANYCH PŁYTĄ VSS I PŁYTĄ DYNAMICZNĄ Umożliwienie stosowania pyty dynamicznej w praktyce odbiorowej dało by narzędzie do szybkiego pomiaru i oceny stanu zagęszczenia gruntu in situ. Niezwykle istotna jest więc odpowiednia interpretacja uzyskiwanych wartości modułu dynamicznego E vd poprzez ich korelację ze stosowanymi dotychczas parametrami otrzymywanymi z badań płytą statyczną VSS (E 1 i E 2 ). Wskazuje się, że najbardziej zasadne jest określanie związków statystycznych między wartościami E 2 i E vd, gdyż obie te wielkości dotyczą własności deformacyjnych takich jak sztywność i odkształcalność [3,4]. Mniej trafne jest natomiast porównywanie z modułem dynamicznym E vd wskaźnika odkształcenia I 0 czy też wskaźnika zagęszczenia I S, opisującego stosunek gęstości objętościowej szkieletu gruntu nasypowego do maksymalnej wartości gęstości tego materiału [3,6]. Istotne dla z korelacyjnych mogą być także różnice w grubości warstwy podlegającej kontroli podczas badania. W badaniach płytą VSS wynosi 0,4-0,6m, podczas gdy przy badaniu dynamicznym nie przekracza 0,3 m. Zależności korelacyjne pomiędzy wartościami modułów E 2 i E vd dla poszczególnych wartości wskaźnika zagęszczenia I S sugerowane przez producentów płyt dynamicznych, bazujące na niemieckich normalizacjach i wytycznych technicznych [2] zestawiono w tablicy 1. Tab.1. Wartości modułu dynamicznego (E vd ) oraz modułu wtórnego E 2 i wskaźnika zagęszczenia Is (za [2]) Rodzaj gruntu wg DIN GW,GI /żwiry/ GE,SE,SW,SI /żwiry słabo uziarnione, piaski/ Grunty mieszane oraz drobnoziarniste Wskaźnik zagęszczenia Is Statyczny moduł wtórnego obciążenia E 2 [MPa] Dynamiczny moduł odkształcenia podłoża E vd [MPa] >=103 >=120 >=60 >=100 >=100 >=50 >=98 >=80 >=40 >=97 >=70 >=35 >=100 >=80 >=40 >=98 >=70 >=35 >=97 >=60 >=32 >=100 >=45 >=25 >=97 >=30 >=15 >=95 >=20 >=10 Dla piasków i pospółek o różnym uziarnieniu dostępne są także korelacje między modułami E 2 i E vd opracowane przez Instytut Badawczy Dróg i Mostów [6]. W porównaniu z wartościami na podstawie wytycznych niemieckich, zestawionymi w tablicy 1, wartości E vd uzyskiwane z zależności przedstawionych przez IBDiM są zbliżone tylko dla wskaźnika zagęszczenia I s = 1, natomiast dla mniejszych wartości I s (0,98 i 0,97) wymagania są niższe. W opracowaniu IBDIM [6] podane są również związki korelacyjne pomiędzy E 2 i E vd dla kruszyw łamanych w tym kruszywa dolomitowego o uziarnieniu 0/31,5. Zależność tę przedstawiono w postaci funkcja liniowej, opisanej wzorem (1): E 2 = 2,10 E vd +71,86 [MPa] (1) Ze wzoru (1) wynika że uzyskanie wymaganego modułu wtórnego E 2 nastąpi przy znacznie niższych wartościach modułu dynamicznego E vd w porównaniu z instrukcją (Tab.1). Zależność ta może budzić wątpliwości, i wymaga weryfikacji zakresu stosowalności dla zmiennej E vd, ponieważ została wyprowadzona dla wysokich wartości modułu wtórnego (E 2 >180MPa). 3 MATERIAŁY I METODY BADAŃ Badania zostały przeprowadzone dla warstw podbudowy z kruszywa łamanego, stabilizowanego mechanicznie, o frakcji 0/31,5 mm. Była to mieszanka wapienno-żwirowa o uziarnieniu 0/31,5 4026

3 wyprodukowana w kopalni Lafarge Bielawy k/barcina. Pojedyncze oznaczenia dla porównania wykonano także dla podbudów z gabro oraz melafiru o uziarnieniu 0/31,5. Wyniki analizy składu granulometrycznego Wykres uziarnienia dla badanych gruntukruszyw przedstawiono na rysunku 1 Zawartość cząstek o średnicy mniejszej niż "d" [%] ,001 Frakcje Iłowa Pyłowa Piaskowa Żwirowa Kam. 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 0,008 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,08 W 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0, Średnica zastępcza ziarna /cząstki/ d [mm] Rys.1. Wykres uziarnienia badanego kruszywa: W-mieszanka wapienno-żwirowa, G-gabro, M- melafir Na potrzeby niniejszego opracowania wykonano oznaczenia modułów statycznych (E 1, E 2 ) i dynamicznych (E vd ) w kilkunastu punktach pomiarowych. Obiekty na których przeprowadzano badania obejmowały zarówno budowę jak i przebudowę ulic miejskich, trasy o charakterze lokalnym oraz drogi krajowe. We wszystkich punktach grubość warstwy podbudowy z kruszywa łamanego 0/31,5 mm wynosiła 0,2 m. Badania we wszystkich punktach pomiarowych były prowadzone przez ten sam zespół. W pierwszej kolejności na badanym punkcie wykonywano oznaczenie płytą dynamicznej ZORN ZFG Następnie w odległości od 0,5m do 1 m od miejsca wykonania badania instalowano płytę statyczną VSS. Przeciwwagę stanowił samochód ciężarowy. G M Zawartość cząstek o średnicy większej niż "d" [%] Fot. 1. Wykonywanie pomiarów zagęszczenia płytą dynamiczną i płytą VSS 4 WYNIKI BADAŃ Wyniki pomiarów modułów odkształcenia pierwotnego i wtórnego (E 1 i E 2 ) płytą VSS oraz modułu dynamicznego (E vd ) płytą ZORN ZFG 2000 zestawiono w tablicy 2. Zakres wyznaczonych w badaniach wartości modułów wtórnych zawiera się w przedziale ,6 MPa. Dla kruszywa 4027

4 wapiennego dwa oznaczenia, w punktach nr 11 i 17 oraz dla kruszywa gabro, wartości I 0 = E 2 /E 1 przekroczyły dopuszczalną normą wynoszącą 2,2 [1]. Z uwagi na niewielkie przekroczenie wyniki z punktów pomiarowych 11 i 17 zostały włączone do badania związków statystycznych. Wyniki pomiarów dla gabra i melafiru (G, M w tablicy 2) nie były uwzględnione w tych analizach, ze względu na odmienny skład mineralogiczny tych kruszyw. Tab.2. Wyniki oznaczeń modułów odkształcenia pierwotnego i wtórnego Nr Wyniki pomiarów porządkowy punktu płytą VSS płytą dynamiczną pomiarowego E 1 [MN/m 2 ] E 2 [MN/m 2 ] I 0 [E 1 /E 2 ] E vd [MN/m 2 ] 1 68,18 112,5 1,65 48,6 4 72,58 118,4 1,63 46,4 5 64,29 97,8 1,52 42,5 4 66,18 107,1 1,62 43, ,14 204,6 1,91 94,9 6 77,59 102,3 1,32 51,5 7 83,33 107,1 1,29 63,0 8 93,75 150,0 1,60 74,5 9 77,59 125,0 1,61 51, ,58 125,0 1,72 62, ,14 90,0 2,36* 41, ,59 140,6 1,81 60, ,33 132,4 1,59 62, ,00 204,6 1, ,27 160,7 1,57 66, ,18 118,4 1,79 48, ,9 112,5 2,35* 37,8 G 77,6 173,1 2,23* 62,3 M 90,0 125,0 1,39 78,4 *Oznaczenia w których przekroczony dopuszczalna wartość wskaźnika odkształcenia I 0 >2,2 Celem ustalenia korelacji pomiędzy modułem wtórnym E 2 i modułem dynamicznym E vd dla kruszywa wapiennego, wyznaczono funkcję regresji. Przyjęto liniową postać regresji o zapisie ogólnym y 1 X 0. Parametry 1 i 0 wyznaczono metodą najmniejszych kwadratów na podstawie 17-tu par (E 2 ;E vd ). Postać aproksymanty jest następująca: E 2 = 1,95 E vd +18,7 [MPa] (2) Wartość współczynnika determinacji R 2 dla wyznaczonej korelacji wynosi 0,77 (Rys. 2) 4028

5 Rys.2. Zależność korelacyjna między modułem dynamicznym E vd a modułem wtórnym E 2 dla kruszywa łamanego 0/31; (G, M - wyniki dla kruszywa z gabro i melafiru nie uwzględnione przy obliczeniach regresyjnych). Tab.3. Wyliczone na podstawie wzoru (2) wymagane wartości Evd dla modułów wtórnych E2 w zestawieniu z wartościami proponowanymi przez producentów na podstawie wytycznych ZTVE [2] WNIOSKI Statyczny moduł wtórnego obciążenia E 2 [MPa] wymagany E 2 [MPa] uzyskany wg [2] wymagany E vd [MPa] uzyskany wg wzoru (2) >=120 >=60 >=52 >=100 >=50 >=42 >=80 >=40 >=32 >=70 >=35 >=26 Uzyskane wyniki badań i ich analizy pozwoliły na sformułowanie następujacych wniosków: 1. Wykorzystanie płyty dynamicznej pozwala w krótkim czasie wykonać ocenę stanu zagęszczenia podłoża i nasypów. 2. Dla kruszywa wapiennego o uziarnieniu 0/31 stwierdzono istnienie związków korelacyjnych pomiędzy modułami wtórnym - E 2 i dynamicznym E vd. 3. Ustalona zależność funkcyjna (2) pozwala na przyjęcie mniejszych wartości E vd (Tab.3), w porównaniu z wartościami zalecanymi w niemieckich wytycznych technicznych ZTVE [2]. 4. Wymagane wartości modułów E vd, wynikające z ustalonych związków statystycznych opisanych wzorem (2), są znacząco większe w porównaniu z wartościami proponowanymi w opracowaniu Instytutu Badawczego Dróg i Mostów dla kruszywa dolomitowego [6]. Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki badań korelacji pomiędzy wybranymi parametrami służącymi do oceny zagęszczenia i nośności wybranego kruszywa drogowego. Analizowanymi parametrami są moduły odkształcenia podłoża (E 1 i E 2 ), wyznaczone za pomocą płyty obciążanej statycznie (VSS) oraz dynamiczny moduł odkształcenia podłoża (E vd ), oznaczony za pomocą płyty obciążanej dynamicznie. Uzyskane wyniki porównano z wartościami granicznymi sugerowanymi przez producenta, przygotowanymi na podstawie niemieckich wytycznych technicznych [2], oraz z rezultatami uzyskanymi z korelacji proponowanymi w polskiej 4029

6 literaturze [6]. Analiza porównawcza wykazała kilkunastoprocentowy zapas dla wartości podawanych przez producenta w przeciwieństwie do opracowań krajowych. Wskazuje to na konieczność zachowania należytej rozwagi przy projektowaniu wartości granicznych dla tego rodzaju badań i ich realizacji w praktyce odbiorów technicznych Correlations for compaction parameters of road embankment Abstract The dynamic plate pressure test is a rapid test method employed to determine the dynamic modulus of resilience. This approach is advantageous over the static plate pressure test (VSS) in that a load abutment is not required for performing the test. Compared to the static plate pressure test, performing the dynamic test is very economic. The equivalence between the static modulus of resilience (E 2 ) and the dynamic modulus of resilience (E vd ) is a function of the type of soil, the moisture content, and the degree of compaction achieved. The paper presents the results of investigations the correlation between moduli of resilience for crushed limestone backfill material. BIBLIOGRAFIA 1. PN-S-02205:1998, Drogi samochodowe. Roboty ziemne, wymagania i badania. 2. ZTVE-StB 94 Supplementary Technical Terms and Conditions of Contract and Guidelines for Earthworks in Road Construction 3. Łupieżowiec M., Syma S., Wykorzystanie płyty dynamicznej w badaniach odbiorczych podłoża i warstw nawierzchni konstrukcji drogowej. Magazyn Autostrady, 2014, nr Nagórski R., Prengere A., Pujol F., Styk S., Correlation between VSS and dynamic plate tests. Logistyka, 2009, nr Kumor M.K., Farmas J., Kumor Ł.A., Wybrane związki korelacyjne parametrów zagęszczenia określone metodami VSS i LFG. Budownictwo i Inżynieria Środowiska, Wydawnictwo Politechniki Białostockiej, Białystok, Szpikowski M., Dreger M., Przygoda M,. Badanie i ustalenie zależności korelacyjnych dla oceny stany zagęszczenia i nośności gruntów niespoistych płytą dynamiczną. Instytut Badawczy Dróg i Mostów, Instytut Geotechniki, Warszawa